呂西林,丁 鯤,施衛(wèi)星,翁大根
(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)
人致振動(dòng)問(wèn)題主要包括人行荷載模式和舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)兩方面。人在行走過(guò)程中引起的動(dòng)力荷載是相當(dāng)復(fù)雜的,其產(chǎn)生的力可以分為豎向、橫向及縱向三個(gè)方向。步頻的統(tǒng)計(jì)分布對(duì)確定步行荷載的卓越頻率以及人群荷載的數(shù)值仿真都十分重要。各國(guó)學(xué)者的研究揭示了人在不同活動(dòng)狀態(tài)下的典型頻率范圍:步行1.6 Hz~2.4 Hz,跑步 2.0 Hz~3.5 Hz,跳躍 1.8 Hz~3.4 Hz,彈跳 1.5 Hz~3.0 Hz,身體水平晃動(dòng) 0.4 Hz~0.7 Hz。人在不同的活動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的三個(gè)方向的力均可以用傅立葉級(jí)數(shù)的形式表示,由于其概念明確、使用方便,被很多規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)采用,實(shí)際應(yīng)用時(shí)最多考慮前5階諧波分量[1-2]。
在研究人體振動(dòng)舒適度的過(guò)程中,由于加速度易于測(cè)量,人們常常使用它作為振動(dòng)舒適度指標(biāo),實(shí)踐中采用的加速度指標(biāo)有峰值加速度、均方根加速度、振動(dòng)劑量等形式。各國(guó)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)采用的指標(biāo)也不盡相同。人體振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,不同的人對(duì)同一振動(dòng)的反應(yīng)不同,同一個(gè)人在不同環(huán)境下對(duì)相同的振動(dòng)反應(yīng)也不同,盡管各國(guó)學(xué)者在此方面已進(jìn)行了大量的研究,但是始終難以得到一致的、確定的結(jié)論[2-7]。
上海世博文化中心六層為懸挑鋼結(jié)構(gòu)樓蓋,計(jì)算表明結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率非常密集且覆蓋了人正常行走的頻率范圍,在世博會(huì)舉行期間大量人流的涌入可能會(huì)導(dǎo)致舒適度問(wèn)題。本文對(duì)采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper)進(jìn)行人致振動(dòng)控制的上海世博文化中心進(jìn)行了大量計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),結(jié)果表明在一定情況下TMD能有效減小結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)響應(yīng)。
上海世博文化中心是2010年上海世博會(huì)永久性場(chǎng)館之一,位于世博園核心區(qū)濱江帶。建筑主體為18 000座多功能場(chǎng)館及環(huán)繞主場(chǎng)館周邊的六層建筑,總建筑面積約140 277 m2。建筑形態(tài)似空中飛碟,平面投影呈三角形,平面尺寸為165 m×205 m,主場(chǎng)館布置呈橢圓形。
主體結(jié)構(gòu)沿環(huán)向由36榀懸臂長(zhǎng)度不一的鋼桁架及內(nèi)框架組成,地上六層,地下二層,屋面最高處距離室外地面41.5 m。內(nèi)框架圍繞18 000座主場(chǎng)館布置,框架間距11.5 m,框架柱采用矩形鋼管混凝土。沿徑向利用碟形主體的高度布置大跨懸臂鋼桁架,桁架根部高度12 m,懸臂長(zhǎng)度20 m~31 m不等。利用電梯分別在東南角增加兩個(gè)、西南角增加三個(gè)剪力墻芯筒,懸臂桁架鉸接擱置在芯筒角點(diǎn)上,并在芯筒上的桁架間設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架,使芯筒中間軸線上懸臂桁架的長(zhǎng)度均控制在31 m以內(nèi)。內(nèi)框架通過(guò)環(huán)向框架梁將各榀框架聯(lián)系在一起,以抵抗水平地震作用和水平風(fēng)荷載。內(nèi)框架既承擔(dān)著懸臂桁架傳來(lái)的豎向荷載和彎矩,又承擔(dān)著整個(gè)結(jié)構(gòu)的水平作用,是整個(gè)結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件。六層結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。
圖1 六層結(jié)構(gòu)平面示意圖Fig.1 Structural plan of 6thfloor
本文采用兩種有限元軟件Midas和Sap 2000分別計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,其有限元模型分別如圖2、圖3所示。表1為Midas和Sap2000模型計(jì)算的前10階固有頻率對(duì)比,第一階振型為整體扭轉(zhuǎn),第二階振型為XZ平面擺動(dòng),第三階振型為YZ平面擺動(dòng),高階振型除少數(shù)為局部振動(dòng)外,其余均為豎向振動(dòng)。從表中可以看出,結(jié)構(gòu)的高階固有頻率較低,其頻譜覆蓋了行人的整個(gè)步行頻率范圍(1.6 Hz~2.4 Hz),特別是在步行頻率的中心位置2 Hz附近較為密集,因此根據(jù)分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)很有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。
圖2 Midas計(jì)算模型Fig.2 Midas computation model
圖3 Sap 2000計(jì)算模型Fig.3 Sap2000 computation model
表1 世博文化中心結(jié)構(gòu)前10階頻率Tab.1 First ten frequencies of structure
由于在人的步行激勵(lì)中一階諧波占主要成分,因此在簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)可忽略二階以上諧波,則步行荷載對(duì)樓板的作用可近似表示為一間諧荷載。針對(duì)各榀懸臂鋼桁架,分別在穩(wěn)態(tài)載荷作用點(diǎn)施加不同頻率的簡(jiǎn)諧激勵(lì),然后分析輸出參考點(diǎn)的豎向加速度以計(jì)算頻率響應(yīng)。荷載作用點(diǎn)和輸出參考點(diǎn)位置見圖4。表2列出了其中幾榀桁架梁的豎向共振頻率。
圖4 荷載作用點(diǎn)和輸出參考點(diǎn)位置(1軸)Fig.4 Position of steady-state load and output
表2 桁架梁豎向共振頻率Tab.2 Vertical resonance frequency of truss
表3 各區(qū)的位置與功能Tab.3 Position and function of different zone
另外,按照建筑功能的不同將1~36軸分成7個(gè)連續(xù)區(qū)域(各區(qū)域位置和功能見表3),每個(gè)區(qū)域包含若干軸線,以每個(gè)區(qū)域?yàn)閱挝贿M(jìn)行諧波響應(yīng)分析。在區(qū)域包含各軸線的節(jié)點(diǎn)上施加簡(jiǎn)諧荷載(如圖5所示),分析參考點(diǎn)的豎向加速度得出各功能區(qū)的豎向共振頻率,如表4所示。
從中可以看出,不管是對(duì)單軸桁架還是對(duì)某幾軸桁架組成的連續(xù)區(qū)域進(jìn)行頻域分析的結(jié)果均表明懸臂鋼桁架梁的豎向振動(dòng)頻率在2.0 Hz-2.2 Hz左右,均有可能引起人體舒適度問(wèn)題。
圖5 區(qū)域1激勵(lì)荷載示意圖Fig.5 Steady-state load in zone 1
表4 各功能區(qū)豎向共振頻率Tab.4 Vertical resonance frequency of each zone
2.3.1 荷載模式和舒適度標(biāo)準(zhǔn)
計(jì)算采用的人行激勵(lì)時(shí)程曲線為國(guó)際橋梁與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)(IABSE)所給定的連續(xù)步行荷載模式,其中假設(shè)單人重量700 N,加載頻率根據(jù)不同區(qū)域的共振頻率而調(diào)整[8]。圖6所示為步行頻率為2.0 Hz時(shí)的IABSE時(shí)程曲線。
圖6 步頻為2.0 Hz的時(shí)程激勵(lì)曲線(IABSE)Fig.6 Walking time history curve in frequency 2.0 Hz(IABSE)
目前,我國(guó)在建筑振動(dòng)測(cè)試方面有《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50355-2005)的規(guī)定,但是其采用分貝為計(jì)量單位。另外《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-95)中的相關(guān)條文:“為避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz”,但對(duì)于商業(yè)建筑無(wú)相關(guān)規(guī)定,而國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和部分歐美國(guó)家都頒布并實(shí)施了人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。本文根據(jù)美國(guó)AISC頒布的設(shè)計(jì)指南《Floor Vibrations Due to Human Activity》[9]中的規(guī)定,以 5 gal作為第一控制指標(biāo),15 gal作為第二控制指標(biāo),具體見表5所示。
表5 民用建筑樓蓋振動(dòng)加速度限制Tab.5 Acceleration limits of civil structure floor
2.3.2 減振方案
圖7 240 t TMD安裝位置示意圖Fig.7 Installation site of 240 tons TMD
最初考慮采取240 tTMD的布置方案,在1軸~7軸、14軸~18軸、25軸~30軸、33軸~36軸一共22個(gè)軸布置了50個(gè)TMD。產(chǎn)品由隔而固(青島)振動(dòng)控制有限公司提供,單個(gè)TMD參數(shù)如下:質(zhì)量4.8 t,固有頻率2.15 Hz,阻尼比0.08。其中1軸-3軸各安裝4個(gè)TMD,總重為19.2 t,其它19根梁上的各安裝2個(gè),總重為9.6 t。圖7為 TMD在整個(gè)場(chǎng)館的安裝位置示意圖。
2.3.3 減振效果分析
計(jì)算時(shí)分7個(gè)功能區(qū)分別計(jì)算,步行激勵(lì)以面荷載形式施加在樓面上。設(shè)各區(qū)的人員密度約為0.74人/m2(大致等于電影廳中座位的密度),同步比例20%,步行激勵(lì)時(shí)程采用IABSE曲線。設(shè)各區(qū)同步行走人員的步行頻率為相應(yīng)各區(qū)的固有振動(dòng)頻率(表4中計(jì)算結(jié)果),計(jì)算連續(xù)踏步40次。
為了考慮到可能出現(xiàn)的不利情況,對(duì)荷載的作用面積進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)展。如以1區(qū)為例,1區(qū)所指的區(qū)域?yàn)?軸~4軸,但在進(jìn)行荷載假定時(shí)認(rèn)為面荷載作用在1軸~5軸的整個(gè)區(qū)域,同時(shí)還認(rèn)為外側(cè)觀光平臺(tái)也有步行激勵(lì)作用。采用了Midas和Sap 2000軟件進(jìn)行了分析,限于篇幅,僅列出了Midas的部分計(jì)算結(jié)果。圖8-圖10為其中幾軸安裝TMD前后的豎向加速度時(shí)程曲線對(duì)比。
圖8 2軸豎向加速度時(shí)程曲線對(duì)比Fig.8 Acceleration time history curve of axis 2
圖9 3軸豎向加速度時(shí)程曲線對(duì)比Fig.9 Acceleration time history curve of axis 3
圖10 30軸豎向加速度時(shí)程曲線對(duì)比Fig.10 Acceleration time history curve of axis 30
圖11 36軸豎向加速度時(shí)程曲線對(duì)比Fig.11 Acceleration time history curve of axis 36
對(duì)所有36軸的分析結(jié)果表明,安裝TMD后1區(qū)和6區(qū)的減震效率較高,達(dá)50%以上,而其他各區(qū)減震效率在20%-40%之間。安裝TMD后部分軸線的峰值加速度從大于5 gal降到5 gal以下,僅有2、3、26、27 軸的振動(dòng)超過(guò)5 gal,僅3軸峰值加速度略大于15 gal。表6列出了安裝TMD前后部分軸豎向加速度峰值的變化。
表6 部分軸豎向加速度峰值及TMD的減振效率(Midas計(jì)算)Tab.6 Peak acceleration and TMD reduction effectiveness
但是,考慮到計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果可能有一定差距,因此先安裝減震效果較好的1軸~3軸、25軸~30軸共115.2 t TMD,其他軸線TMD根據(jù)測(cè)試結(jié)果再?zèng)Q定是否安裝。
在結(jié)構(gòu)樓板澆筑結(jié)束,但是面層、裝修等荷載未施加的狀態(tài)下對(duì)結(jié)構(gòu)各榀桁架的豎向自振頻率進(jìn)行了測(cè)試,以便和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。此時(shí)結(jié)構(gòu)的外觀如圖12所示。采用加速度傳感器對(duì)36榀桁架進(jìn)行了脈動(dòng)下的振動(dòng)測(cè)試,測(cè)點(diǎn)布置在各桁架梁的最外端。同時(shí)按照實(shí)際狀態(tài)對(duì)原有計(jì)算模型進(jìn)行調(diào)整,使其符合目前狀態(tài)下的結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)構(gòu)各榀桁架梁的豎向振動(dòng)頻率,對(duì)比測(cè)試和分析結(jié)果,如圖13所示。從圖中可以看出,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)各榀桁架的豎向振動(dòng)頻率在3.0 Hz~5.2 Hz之間,已超出人正常行走的頻率范圍,而且與理論計(jì)算值有一定的出入,但是此時(shí)大量荷載未施加到樓面上,測(cè)試結(jié)果與最終結(jié)果會(huì)有一定誤差,因此在結(jié)構(gòu)完全竣工后又對(duì)結(jié)構(gòu)頻率和TMD的特性進(jìn)行了測(cè)試。
圖12 施工階段結(jié)構(gòu)外觀Fig.12 Structure under construction
圖13 計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of computational and test results
在結(jié)構(gòu)竣工后進(jìn)行內(nèi)部裝修時(shí),對(duì)各榀桁架又進(jìn)行了豎向振動(dòng)頻率測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明各榀桁架的振動(dòng)頻率在2.9 Hz~4.4 Hz之間,大部分大于3 Hz,與施工狀態(tài)測(cè)試的結(jié)構(gòu)頻率相比,有增有減,整體變化不大。但是測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最初模型的計(jì)算結(jié)果,且結(jié)構(gòu)的頻率已超出了人正常行走的頻率范圍,發(fā)生振動(dòng)引起舒適度問(wèn)題的幾率大大減小。
已安裝的TMD頻率為按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)制造,所有TMD設(shè)計(jì)頻率為2.15 Hz。根據(jù)測(cè)試得到的桁架梁豎向振動(dòng)頻率,在TMD和樓板之間增加彈簧以增大TMD自振頻率使其和桁架豎向振動(dòng)頻率一致,這樣TMD才有可能起到減振作用。
調(diào)試TMD后在各榀鋼桁架端部和中部以及TMD質(zhì)量塊上布置加速度傳感器,測(cè)試在人跑步和跳躍激勵(lì)下的加速度反應(yīng),并進(jìn)行頻譜分析,得到TMD的自振特性,據(jù)此判斷TMD的工作狀況。圖14為1軸測(cè)點(diǎn)布置圖,圖15為TMD實(shí)際布置圖。
圖14 測(cè)點(diǎn)布置位置圖Fig.14 Layout of the acceleration transducers
圖15 TMD實(shí)際布置圖Fig.15 TMDs in structure
測(cè)試結(jié)果表明,絕大部分TMD工作良好,增加彈簧后TMD的振動(dòng)頻率為2.83 Hz~2.93 Hz,與桁架梁振動(dòng)頻率基本保持一致,阻尼比為3% ~6%,TMD上的振動(dòng)加速度較大,說(shuō)明TMD吸收部分能量,起到一定的減振作用。
另外在3軸入口處放置了3個(gè)加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)響應(yīng),測(cè)點(diǎn)布置如圖16所示??紤]了兩種工況:11個(gè)人在入口周圍沿箭頭方向走動(dòng)模擬觀眾出入場(chǎng);4人在外走廊上連續(xù)跳躍。測(cè)試結(jié)果表明,不管TMD處于開啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài),在多人行走和跳躍荷載作用下,結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)加速度均較小,峰值均不超過(guò)6 gal。在多人行走激勵(lì)下的入口處最大振動(dòng)加速度級(jí)均小于60 dB,TMD對(duì)其影響不大;在外走廊行人跳躍激勵(lì)下的最大振動(dòng)加速度級(jí)在TMD關(guān)閉狀態(tài)下為71 dB,在TMD開啟的狀態(tài)下為68.8 dB,TMD 有一定的減振效果。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果,人正常行走時(shí)樓面振動(dòng)較小,TMD作用有限,因此僅安裝1軸~3軸、25軸~30軸TMD,其他軸桁架不安裝TMD。
圖16 3軸入口處測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.16 Layout of sensors in the entrance of axis 3
通過(guò)幾次的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)頻率和模型計(jì)算頻率有較大誤差。分析其原因可能有以下幾點(diǎn):
(1)模型計(jì)算結(jié)果為結(jié)構(gòu)整體頻率,而實(shí)測(cè)時(shí)為結(jié)構(gòu)局部頻率,二者有一定差異;
(2)模型計(jì)算時(shí)活荷載為滿布情況,但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)實(shí)際活荷載遠(yuǎn)未達(dá)到滿布狀態(tài);
(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采用脈動(dòng)法,測(cè)試結(jié)果偏大,且非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和現(xiàn)場(chǎng)人員活動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大影響。
考慮到以上因素,本次分析對(duì)結(jié)構(gòu)初始模型進(jìn)行了修正,使結(jié)構(gòu)計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率相接近,具體進(jìn)行了以下修正:
(1)將所有鉸接梁改為剛接;
(2)將各層活荷載進(jìn)行折減,使其符合實(shí)際情況;
(3)取消考慮長(zhǎng)期荷載作用下六層混凝土樓板的剛度折減,并考慮六層部分樓面鋼肋板的作用。
采用Sap 2000對(duì)修正后的結(jié)構(gòu)模型重新進(jìn)行計(jì)算,初始模型和修正模型前10階固有頻率對(duì)比如表7所示。修正后結(jié)構(gòu)的高階豎向振動(dòng)頻率和實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近,分析結(jié)果可靠性增大。
表7 初始模型和修正模型前10階頻率對(duì)比Tab.7 First ten frequencies comparison of initial model and amendment model
模型修正后,對(duì)安裝TMD的1軸~3軸、25軸~30軸九榀桁架進(jìn)行單軸和區(qū)域頻域分析,結(jié)果表明各軸在3.0 Hz附近均有多個(gè)豎向共振頻率,1軸~3軸區(qū)域的共振頻率集中在2.86 Hz和2.7 Hz,而25軸~30軸區(qū)域的共振頻率集中在2.52 Hz和3.14 Hz。
根據(jù)頻域分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率已經(jīng)超過(guò)人正常行走的頻率范圍,但是處于人跑動(dòng)的頻率范圍。因此針對(duì)1軸~3軸、25軸~30軸兩個(gè)區(qū)域分別計(jì)算兩種不同工況,一種工況是按照人正常行走頻率為2.0 Hz進(jìn)行計(jì)算,另一種是考慮人快速走動(dòng)或奔跑時(shí)情況,按照結(jié)構(gòu)豎向共振頻率進(jìn)行計(jì)算,選取與測(cè)試結(jié)果接近的振動(dòng)頻率,即1軸~3 軸為 2.86 Hz,25 軸 ~30軸為 2.52 Hz。分析的荷載模式與前述相同,采用IABSE時(shí)程曲線。
圖17 人正常行走時(shí)TMD減震效果Fig.17 TMD reduction effectiveness in normal walking condition
圖18 人奔跑狀態(tài)下TMD減震效果Fig.18 TMD reduction effectiveness in run condition
分析結(jié)果表明,當(dāng)人以2.0 Hz的頻率正常行走時(shí),裝與不裝TMD的各軸豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線基本重疊,TMD對(duì)其影響較小。同時(shí)也注意到人行荷載作用下,各參考點(diǎn)的振動(dòng)較小,加速度峰值處于3gal~8gal的范圍內(nèi),基本滿足AISC設(shè)計(jì)指南。而當(dāng)人以結(jié)構(gòu)豎向共振頻率快速走動(dòng)或奔跑時(shí),未裝TMD的豎向振動(dòng)呈較明顯共振效應(yīng),安裝TMD后,共振現(xiàn)象明顯減弱,各軸豎向加速度峰值也有一定程度的減小,均控制在15 gal以內(nèi),TMD的平均減振效率約為15%。圖17、圖18分別為兩種工況下1軸和3軸的加速度時(shí)程曲線對(duì)比。表8匯總了各軸TMD減振效果。
表8 各軸豎向加速度峰值及TMD的減振效率Tab.8 Peak acceleration and TMD reduction effectiveness
通過(guò)對(duì)世博文化中心的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出以下結(jié)論和建議:
(1)結(jié)構(gòu)各榀桁架的豎向共振頻率基本處于2.5 Hz-3.0 Hz之間,超出人正常行走頻率范圍,但是處于人快速走動(dòng)和奔跑的頻率范圍內(nèi)。
(2)當(dāng)人正常行走時(shí),結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)較小,TMD基本無(wú)影響;而當(dāng)人以結(jié)構(gòu)豎向共振頻率快速走動(dòng)或奔跑時(shí),TMD能減小結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)響應(yīng),減振效率約為15%。
(3)對(duì)第一振型為扭轉(zhuǎn)且高階豎向振動(dòng)頻率密集的長(zhǎng)懸臂空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,理論和實(shí)測(cè)結(jié)果有一定差異,需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)加深認(rèn)識(shí)。
(4)對(duì)TMD這種頻率敏感型減振裝置,應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性后再進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。
(5)TMD能否有效的減小結(jié)構(gòu)振動(dòng),不僅取決于TMD的固有頻率是否與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率一致,也取決于施加的荷載頻率是否與其一致。
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